マイクロ秒Ｘ線強度切換えのためのＸ線管
【課題】画質、イメージング・システムの性能、及びＸ線源の耐久性を保存するように電子ビームの焦点及び位置を同じ時間尺度で制御する。また、走査要件に基づいて電子ビーム強度を制御して電子ビームを正確に配置するＸ線管の設計を開発する。
【解決手段】Ｘ線管（５０）用の入射器（５２）が提示される。入射器（５２）は、電子ビーム（６４）を放出する放出器（５８）と、放出器（５８）の周りに配設されて電子ビーム（６４）を集束させる少なくとも一つの集束電極（７０）と、放出器（５８）に関して正のバイアス電圧に保たれて電子ビーム（６４）の強度を制御する少なくとも一つの引出し電極（７４）とを含んでいる。
【解決手段】Ｘ線管（５０）用の入射器（５２）が提示される。入射器（５２）は、電子ビーム（６４）を放出する放出器（５８）と、放出器（５８）の周りに配設されて電子ビーム（６４）を集束させる少なくとも一つの集束電極（７０）と、放出器（５８）に関して正のバイアス電圧に保たれて電子ビーム（６４）の強度を制御する少なくとも一つの引出し電極（７４）とを含んでいる。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明の実施形態は一般的には、Ｘ線管に関し、さらに具体的には、マイクロ秒Ｘ線強度切換えのための装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
典型的には、計算機式断層写真法（ＣＴ）イメージング・システムでは、Ｘ線源が患者又は手荷物のような被検体又は物体へ向けてファン（扇形）形状又はコーン（円錐形）形状のＸ線を放出する。以下では、「被検体」及び「対象」「物体」との用語は、撮像されることが可能な任意の物体を含むように用いられ得る。ビームは被検体によって減弱された後に放射線検出器のアレイに入射する。検出器アレイにおいて受光される減弱後のビーム放射線の強度は典型的には、被検体によるＸ線ビームの減弱量に依存している。検出器アレイの各々の検出器素子が、各々の検出器素子によって受光された減弱後のビームを示す別個の電気信号を発生する。電気信号はデータ処理システムへ伝送されて解析される。データ処理システムは、電気信号を処理して画像の形成を容易にする。
【０００３】
一般的には、ＣＴシステムでは、Ｘ線源及び検出器アレイは、撮像平面内で被検体を中心としてガントリの周りで回転する。さらに、Ｘ線源は一般的にはＸ線管を含んでおり、Ｘ線管は焦点においてＸ線ビームを放出する。また、Ｘ線検出器又は検出器アレイは典型的には、検出器において受光されるＸ線ビームをコリメートするコリメータと、コリメータに隣接して配設されてＸ線を光エネルギへ変換するシンチレータと、隣接するシンチレータから光エネルギを受け取ってここから電気信号を発生するフォトダイオードとを含んでいる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】米国特許第６６５２１４３号
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
ＣＴシステムにおいて用いられている現在利用可能なＸ線管は、電子ビーム強度のレベルを所望の時間分解能に合わせて制御することができない。この分野では、フィラメントの加熱を制御する手法、及び血管撮影用Ｘ線源に典型的に用いられているウェーネルト円筒（Wehnelt Cylinder）格子制御を用いる手法のような手法を用いたり、Ｘ線管のターゲットに電子ビーム強度を制御するための電子加速フードを用いたりすることにより幾つかの試みが行なわれている。また、現在利用可能なマイクロ波源は、ピアス電極（Pierce electrode）のような集束電極を含む電子銃を含んで電子ビームを発生している。これらの電子銃は典型的には、制御格子手段の利用を介してビーム電流の大きさを制御する格子を含んでいる。残念ながら、格子ワイヤの熱機械的応力は電子ビームの遮断面積が最小になるときに小さくなるので、電子ビームのエネルギ及びデューティ・サイクルのため遮断用ワイヤ・メッシュ格子の導入が困難になっている。さらに、電子ビーム電流の急速な変化は、Ｘ線ターゲットでの電子ビームの適正な配置及び集束を妨げる。また、電子ビーム強度の０％から１００％までの電子ビーム電流の変調は、空間電荷力の変化が所望の電磁集束及び偏向に変化を齎すため電子ビームの力を変化させる。従って、画質、イメージング・システムの性能、及びＸ線源の耐久性を保存するように電子ビームの焦点及び位置を同じ時間尺度で制御することが望ましい。
【０００６】
また、走査要件に基づいて電子ビーム強度を制御して電子ビームを正確に配置するＸ線管の設計を開発することがさらに望ましい。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
簡潔に述べると、本発明の手法の一観点によれば、Ｘ線管の入射器（injector）が提示される。入射器は、電子ビームを放出する放出器と、放出器の周りに配設されて電子ビームを集束させる少なくとも一つの集束電極と、放出器に関して正のバイアス電圧に保たれて電子ビームの強度を制御する少なくとも一つの引出し電極とを含んでいる。
【０００８】
本発明の手法のもう一つの観点によれば、Ｘ線管が提示される。Ｘ線管は入射器を含んでおり、入射器は、電子ビームを放出する放出器と、放出器の周りに配設されて電子ビームを集束させる少なくとも一つの集束電極と、電子ビームの強度を制御し、放出器に関して正のバイアス電圧に保たれている少なくとも一つの引出し電極とを含んでいる。さらに、Ｘ線管はまた、電子ビームによって衝突されるＸ線を発生するターゲットと、入射器とターゲットとの間に位置して、電子ビームをターゲットへ向けて集束、偏向及び／又は配置するのに指向的に作用する磁気アセンブリとを含んでいる。
【０００９】
本発明の手法のさらにもう一つの観点によれば、計算機式断層写真法システムが提示される。計算機式断層写真法システムは、ガントリと、ガントリに結合されたＸ線管とを含んでいる。Ｘ線管は、管外被と、入射器とを含んでおり、入射器は、電子ビームを放出する放出器と、放出器の周りに配設されて電子ビームを集束させる少なくとも一つの集束電極と、電子ビームの強度を制御し、放出器に関して正のバイアス電圧に保たれている少なくとも一つの引出し電極とを含んでいる。Ｘ線管はまた、電子ビームによって衝突されるＸ線を発生するターゲットと、入射器とターゲットとの間に位置して、電子ビームをターゲットへ向けて集束、偏向及び／又は配置するのに指向的に作用する磁気アセンブリとを含んでいる。さらに、計算機式断層写真法システムは、Ｘ線管に電力及びタイミング信号を供給するＸ線制御器と、撮像対象からの減弱されたＸ線ビームを検出する１又は複数の検出器素子とを含んでいる。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
本発明のこれらの特徴、観点及び利点、並びに他の特徴、観点及び利点は、添付の図面を参照して以下の詳細な説明を読むとさらに十分に理解されよう。図面全体を通して類似の符号は類似の部分を表わす。
【図１】ＣＴイメージング・システムの見取り図である。
【図２】図１に示すＣＴイメージング・システムのブロック概略図である。
【図３】本発明の手法の各観点による例示的なＸ線管の図である。
【図４】本発明の手法の各観点によるもう一つの例示的なＸ線管の図である。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
本発明の各実施形態は、Ｘ線管でのマイクロ秒Ｘ線強度切換えに関する。例示的なＸ線管、及びこの例示的なＸ線管を用いた計算機式断層写真法システムが提示される。
【００１２】
ここで図１及び図２を参照すると、計算機式断層写真法（ＣＴ）イメージング・システム１０が示されている。ＣＴイメージング・システム１０はガントリ１２を含んでいる。ガントリ１２はＸ線源１４を有し、Ｘ線源１４は典型的には、ガントリ１２においてＸ線管の反対側に配置されている検出器アレイ１８へ向けてＸ線ビーム１６を投射するＸ線管である。一実施形態では、ガントリ１２は、Ｘ線ビームを投射する多数のＸ線源を（患者θ軸又は患者Ｚ軸に沿って）有し得る。検出器アレイ１８は複数の検出器２０によって形成されており、検出器２０は一括で、患者２２のような撮像されるべき対象を透過した投射Ｘ線を感知する。Ｘ線投影データを取得するための１回の走査の間に、ガントリ１２及びガントリ１２に装着されている構成部品は回転中心２４の周りを回転する。ＣＴイメージング・システム１０は患者２２に関して説明されているが、ＣＴイメージング・システム１０は医療分野以外にも応用され得ることを認められたい。例えば、ＣＴイメージング・システム１０は、手荷物及び小包等のような密閉物品の内容を確認するために用いられる場合もあるし、爆発物及び／又は生体有害物質のような密輸品の捜索に用いられる場合もある。
【００１３】
ガントリ１２の回転及びＸ線源１４の動作は、ＣＴシステム１０の制御機構２６によって制御される。制御機構２６は、Ｘ線制御器２８とガントリ・モータ制御器３０とを含んでおり、Ｘ線制御器２８はＸ線源１４に電力及びタイミング信号を供給し、ガントリ・モータ制御器３０はガントリ１２の回転速度及び位置を制御する。制御機構２６内に設けられているデータ取得システム（ＤＡＳ）３２が検出器２０からのアナログ・データをサンプリングして、後続の処理のためにこのデータをディジタル信号へ変換する。画像再構成器３４が、サンプリングされてディジタル化されたＸ線データをＤＡＳ３２から受け取って高速再構成を実行する。再構成された画像はコンピュータ３６への入力として印加され、コンピュータ３６は大容量記憶装置３８に画像を記憶させる。
【００１４】
また、コンピュータ３６はまた、キーボードのような入力装置（図１〜図２には示されていない）を有し得る操作者コンソール４０を介して操作者から指令及び走査用パラメータを受け取る。付設されている表示器４２によって、操作者は、再構成された画像及びコンピュータ３６からの他のデータを観測することができる。操作者によって供給された指令及びパラメータはコンピュータ３６によって用いられて、ＤＡＳ３２、Ｘ線制御器２８及びガントリ・モータ制御器３０に制御情報及び信号情報を供給する。加えて、コンピュータ３６は、モータ式テーブル４６を制御するテーブル・モータ制御器４４を動作させて、患者２２及びガントリ１２を配置する。具体的には、テーブル４６は患者２２の各部分をガントリ開口４８を通して移動させる。幾つかの実施形態では、コンピュータ３６は、コンベヤ・システム４６を制御するコンベヤ・システム制御器４４を動作させて、小荷物又は手荷物のような物体及びガントリ１２を配置し得ることが特記され得る。さらに具体的には、コンベヤ・システム４６は物体をガントリ開口４８を通して移動させる。
【００１５】
Ｘ線源１４は典型的には、少なくともカソード及びアノードを含むＸ線管である。カソードは、直熱式カソードであっても間接加熱式カソードであってもよい。現在、Ｘ線管は、電子ビームを発生してアノードに衝突させてＸ線を発生する電子源を含んでいる。これらの電子源は、フィラメントの電流を変化させ、従ってフィラメントの放出温度を変化させることによりビーム電流の大きさを制御する。残念ながら、これらのＸ線管は走査要件に基づいてビュー単位で電子ビーム強度を制御することができず、これによりシステムの撮像選択肢を限定している。従って、例示的なＸ線管が提示され、このＸ線管は、公称動作時のマイクロ秒電流制御、多数のＸ線源のゲート制御又は利用制御のためのオン／オフ格子制御、Ｘ線画像の改善のための０％〜１００％変調、及び所望の強度のＸ線を発生して画質を高めるための線量制御又は高速電圧切換えを提供する。
【００１６】
図３は、本発明の手法の各観点による例示的なＸ線管５０の図である。一実施形態では、Ｘ線管５０はＸ線源１４であり得る（図１〜図２参照）。図示の実施形態では、Ｘ線管５０は真空壁５４の内部に配設された例示的な入射器５２を含んでいる。さらに、入射器５２は、当該入射器５２の様々な構成要素を封入する入射器壁５３を含んでいる。加えて、Ｘ線管５０はまた、アノード５６を含んでいる。アノード５６は典型的には、Ｘ線ターゲットである。入射器５２及びアノード５６は、管外被７２の内部に配設されている。本発明の手法の各観点によれば、入射器５２は少なくとも一つのカソードを放出器５８の形態で含み得る。本例では、カソード、具体的には放出器５８は、直熱式であり得る。さらに、放出器は放出器支持体６０に結合され、次に放出器支持体６０は入射器壁５３に結合され得る。放出器５８は、当該放出器５８に大電流を流すことにより加熱され得る。電圧源６６がこの電流を放出器５８に供給することができる。一実施形態では、約１０アンペア（Ａ）の電流を放出器５８に流すことができる。放出器５８は、電圧源６６によって供給される電流によって加熱される結果として電子ビーム６４を放出することができる。本書で用いられる「電子ビーム」との用語は、実質的に類似した速度を有する複数の電子から成る流れを指すのに用いられ得る。
【００１７】
電子ビーム６４はターゲット５６へ向けて導かれてＸ線８４を発生することができる。さらに具体的には、電子ビーム６４は、放出器５８とターゲット５６との間に電位差を印加することにより放出器５８からターゲット５６へ向けて加速され得る。一実施形態では、約４０ｋＶ〜約４５０ｋＶの範囲の高電圧が高電圧フィードスルー６８の利用を介して印加されて、放出器５８とターゲット５６との間に電位差を設定し、これにより高電圧主電場７８を発生することができる。一実施形態では、約１４０ｋＶの高電圧差が放出器５８とターゲット５６との間に印加されて、ターゲット５６へ向かう電子ビーム６４の電子を加速することができる。現在思量される構成では、ターゲット５６は接地電位にあり得ることが特記され得る。例として述べると、放出器５８は約−１４０ｋＶの電位にあり、ターゲット５６は接地電位又は約０ボルトにあり得る。
【００１８】
代替的な実施形態では、放出器５８が接地電位に保たれて、ターゲット５６が放出器５８に関して正の電位に保たれ得る。例として述べると、ターゲットは約１４０ｋＶの電位にあり、放出器５８は接地電位又は約０ボルトにあり得る。
【００１９】
また、電子ビーム６４がターゲット５６に入射すると、ターゲット５６に多量の熱が発生される。残念ながら、ターゲット５６において発生される熱は、ターゲット５６を溶融させるのに十分なほど著しい場合がある。本発明の手法の各観点によれば、回転ターゲットを用いてターゲット５６での熱発生の問題を回避することができる。さらに具体的には、一実施形態では、ターゲット５６は回転するように構成されることができ、すると電子ビーム６４はターゲット５６において同じ位置には衝突しないのでターゲット５６に衝突する電子ビーム６４がターゲット５６を溶融させることがなくなる。もう一つの実施形態では、ターゲット５６は静止ターゲットを含み得る。さらにまた、ターゲット５６は、電子ビーム６４の衝突によって発生される熱に耐えることが可能な材料で製造され得る。例えば、ターゲット５６は、限定しないがタングステン、モリブデン、又は銅のような材料を含み得る。
【００２０】
現在思量される構成では、放出器５８は平面型放出器である。代替的な構成では、放出器５８は曲面型放出器であってよい。曲面型放出器は、典型的には曲率が凹であって、電子ビームの前集束を提供する。本書で用いられる「曲面型放出器」との用語は、彎曲した放出面を有する放出器を指すのに用いられ得る。さらに、「平面型放出器」との用語は、平坦な放出面を有する放出器を指すのに用いられ得る。本発明の手法の各観点によれば、成形された放出器を用いることもできる。例えば、一実施形態では、方形放出器又は矩形放出器のような様々な多角形形状の放出器を用いることができる。但し、限定しないが楕円形又は円形の放出器のような他の形状の放出器を用いることもできる。応用要件に基づいて、様々な形状又は寸法の放出器を用いてよいことが特記され得る。
【００２１】
本発明の手法の各観点によれば、放出器５８は仕事関数の低い材料から形成され得る。さらに具体的には、放出器５８は、融点が高く高温において安定な電子放出が可能な材料から形成され得る。仕事関数の低い材料としては、限定しないがタングステン、トリウム入りタングステン、及び六ホウ化ランタン等が挙げられる。
【００２２】
引き続き図３を参照して述べると、入射器５２は、少なくとも一つの集束電極７０を含み得る。一実施形態では、少なくとも一つの集束電極７０は、当該集束電極７０が電子ビーム６４をターゲット５６へ向けて集束させるように放出器５８に隣接して配設され得る。本書で用いられる「隣接」との用語は、空間又は位置において近傍であることを意味する。さらに、一実施形態では、集束電極７０は放出器５８の電圧電位よりも低い電圧電位に保たれ得る。放出器５８と集束電極７０との間の電位差は、放出器５８から発生される電子が集束電極７０へ向けて移動するのを防ぐ。一実施形態では、集束電極７０は放出器５８に関して負の電位に保たれ得る。放出器５８に関して集束電極７０が負電位にあることにより、電子ビーム６４は集束電極７０から離隔して集束し、これによりターゲット５６へ向けた電子ビーム６４の集束が容易になる。
【００２３】
もう一つの実施形態では、集束電極７０は、放出器５８の電圧電位に等しい又は実質的に類似した電圧電位に保たれ得る。放出器５８の電圧電位に関して集束電極７０の電圧電位を類似したものにすると、集束電極７０の形状によって静電場を成形することにより平行な電子ビームが生成される。集束電極７０は、放出器５８及び集束電極７０を結合する導線（図３には示されていない）の利用を介して放出器５８の電圧電位に等しい又は実質的に類似した電圧電位に保たれ得る。
【００２４】
また、本発明の手法の各観点によれば、入射器５２は、電子ビーム６４をターゲット５６へ向けて付加的に制御して集束させる少なくとも一つの引出し電極７４を含んでいる。一実施形態では、少なくとも一つの引出し電極７４は、ターゲット５６と放出器５８との間に位置する。さらに、幾つかの実施形態では、引出し電極７４は、当該引出し電極７４に所望の電圧を供給する電圧タブ（図３には示されていない）の利用を介して正のバイアスを印加され得る。本発明の手法の各観点によれば、バイアス電圧電源９０が引出し電極７４に電位を供給することができ、引出し電極７４が放出器５８に関して正のバイアス電圧に保たれるようにしている。一実施形態では、引出し電極７４を様々な電圧電位を有する複数の領域に分割して、放出器５８の様々な領域からの集束又はバイアス付き放出を実行することができる。
【００２５】
Ｘ線管において、Ｘ線ビームのエネルギは、多数の方法の１又は複数を介して制御され得ることが特記され得る。例えば、Ｘ線ビームのエネルギは、カソードとアノードとの間の電位差（すなわち加速電圧）を変化させること、Ｘ線ターゲットの材料を変更すること、又は電子ビームをフィルタリングすることにより制御され得る。このことを一般に「ｋＶ制御」と呼ぶ。本書で用いられる「電子ビーム電流」との用語は、カソードとアノードとの間の秒当たりの電子流の流れを指す。さらに、Ｘ線ビームの強度は、電子ビーム電流の制御を介して制御可能である。強度を制御するかかる手法を一般に「ｍＡ制御」と呼ぶ。本書で議論されるように、本発明の手法の各観点は、引出し電極７４の利用を介した電子ビーム電流の制御を提供する。かかる引出し電極７４の利用は、加速電圧から電子放出の制御を切り離すことを可能にすることが特記され得る。
【００２６】
さらに、引出し電極７４はマイクロ秒電流制御のために構成される。明確に述べると、電子ビーム電流は、引出し電極７４に印加される電圧をマイクロ秒のオーダーで変化させることにより、マイクロ秒のオーダーで制御され得る。放出器５８は無限の電子発生源として扱われ得ることが特記され得る。本発明の手法の各観点によれば、電子ビーム電流は、典型的には放出器５８からターゲット５６へ向かう電子の流れであって、引出し電極７４の電圧電位を変化させることにより制御され得る。電子ビーム電流の制御について以下でさらに詳細に説明する。
【００２７】
引き続き図３を参照して述べると、引出し電極７４はまた、集束電極７０に関して正の電圧にバイアスを印加され得る。例として、放出器５８の電圧電位が約−１４０ｋＶである場合に、集束電極７０の電圧電位は約−１４０ｋＶ以下に保たれてよく、引出し電極７４の電圧電位は放出器５８に関して引出し電極７４に正のバイアスを印加するために約−１３５ｋＶに保たれ得る。本発明の手法の各観点によれば、集束電極７０と引出し電極７４との間の電位差によって引出し電極７４と集束電極７０との間に電場７６が発生される。このように発生される電場７６の強度を用いて、放出器５８によってターゲット５６へ向けて発生される電子ビーム６４の強度を制御することができる。このようにして、ターゲット５６に衝突する電子ビーム６４の強度は電場７６によって制御され得る。さらに具体的には、電場７６は、放出器５８から放出された電子をターゲット５６へ向けて加速する。電場７６が強いほど放出器５８からターゲット５６へ向かう電子の加速は大きくなる。代替的には、電場７６が弱いほど放出器５８からターゲット５６へ向かう電子の加速は小さくなる。
【００２８】
加えて、引出し電極７４に加わるバイアス電圧を変化させると、電子ビーム６４の強度を変更することができる。前述のように、引出し電極に加わるバイアス電圧を、バイアス電圧電源９０に存在する電圧タブの利用を介して変化させることができる。引出し電極７４に、放出器５８に関して相対的に正となるようにバイアスを印加すると、電子ビーム６４の強度が高まる。代替的には、引出し電極７４に、放出器５８に関して相対的に正とならないようにバイアスを印加すると、電子ビーム６４の強度が小さくなる。一実施形態では、電子ビーム６４は、引出し電極７４に、放出器５８に関して負となるようにバイアスを印加することにより完全に遮断され得る。前述のように、引出し電極７４に加わるバイアス電圧は、バイアス電圧電源９０の利用を介して供給され得る。従って、電子ビーム６４の強度は、バイアス電圧電源９０に存在する電圧タブの利用を介して引出し電極７４に加わるバイアス電圧を変化させることにより、可能な強度の０％から１００％まで制御され得る。
【００２９】
さらに、８ｋＶ以下の電圧シフトを引出し電極７４に印加して電子ビーム６４の強度を制御することができる。幾つかの実施形態では、これらの電圧シフトは、制御電子回路モジュール９２の利用を介して引出し電極７４に印加され得る。制御電子回路モジュール９２は、引出し電極７４に印加される電圧を１マイクロ秒〜１５マイクロ秒の間隔乃至少なくとも約１５０ミリ秒の間隔で変化させる。一実施形態では、制御電子回路モジュール９２は、引出し電極７４に印加される電圧を変化させるＳｉ切換え技術サーキットリを含み得る。幾つかの実施形態では、電圧シフトの範囲が８ｋＶを超える場合には炭化ケイ素（ＳｉＣ）切換え技術を応用することができる。従って、引出し電極７４に印加される電圧の変化は、例えば１マイクロ秒〜１５マイクロ秒の間隔での電子ビーム６４の強度の変化を容易にする。電子ビームの強度をマイクロ秒のオーダーで制御するこの手法をマイクロ秒強度切換えと呼ぶことができる。
【００３０】
加えて、例示的なＸ線管５０はまた、ターゲット５６において電子ビーム６４を集束させ且つ／又は配置して偏向させる磁気アセンブリ８０を含み得る。一実施形態では、磁気アセンブリ８０は入射器５２とターゲット５６との間に配設され得る。一実施形態では、磁気アセンブリ８０は、Ｘ線ターゲット５６において電子ビーム６４を成形する磁場を形成することにより電子ビーム６４の集束に作用する１又は複数の多極電磁石を含み得る。１又は複数の多極電磁石としては、１若しくは複数の四重極磁石、１若しくは複数の二極磁石、又はこれらの組み合わせを等が挙げられる。電子ビーム電流及び電圧の特性が急速に変化するのに伴って、入射器における空間電荷及び静電集束の効果が呼応して変化する。安定な焦点スポット寸法を保つため、又はシステム要件に従って焦点スポット寸法を高速に変更するために、磁気アセンブリ８０は、広範な焦点スポット寸法に対して定常状態から３０ミリ秒未満までの時間尺度で制御可能な性能を有する磁場を提供する。このことは、ＣＴシステム性能の要件を達成すると共に、Ｘ線源系統の保護を提供する。加えて、磁気アセンブリ８０は、Ｘ線ターゲット５６の所望の位置への電子ビーム６４の偏向及び配置のための１又は複数の二極磁石を含み得る。集束されて配置された電子ビーム６４は、ターゲット５６に入射してＸ線８４を発生する。電子ビーム６４のターゲット５６との衝突によって発生されるＸ線８４は、Ｘ線管５０から、一般にＸ線窓８６とも呼ばれる管外被７２の開口を通って、対象（図３には示されていない）へ向けて導かれ得る。
【００３１】
引き続き図３を参照して述べると、電子ビーム６４の電子は、ターゲット５６に衝突した後に後方散乱される場合がある。従って、例示的なＸ線管５０は、ターゲット５６から後方散乱された電子を収集する電子収集器８２を含み得る。本発明の手法の各観点によれば、電子収集器８２は接地電位に保たれ得る。代替的な実施形態では、電子収集器８２は、ターゲット５６の電位と実質的に類似した電位に保たれ得る。さらに、一実施形態では、電子収集器８２がターゲット５６に隣接して位置して、ターゲット５６から後方散乱された電子を収集し得る。もう一つの実施形態では、電子収集器８２は、引出し電極７４とターゲット５６との間でターゲット５６に近接して位置し得る。加えて、電子収集器８２は、限定しないが例えばモリブデンのような耐熱材料から形成され得る。さらに、一実施形態では、電子収集器８２は銅から形成され得る。もう一つの実施形態では、電子収集器８２は耐熱金属と銅との組み合わせから形成され得る。
【００３２】
さらに、例示的なＸ線管５０はまた、電子ビーム６４の電子のターゲット５６との衝突によって発生され得る陽イオンを吸引する陽イオン収集器（図３には示されていない）を含み得ることが特記され得る。陽イオン収集器は一般的には、電子ビームの経路に沿って配置されて陽イオンがＸ線管５０の様々な構成要素に衝突するのを防ぎ、これによりＸ線管５０の構成要素に対する損傷を防ぐ。
【００３３】
ここで図４を参照すると、例示的なＸ線管１００のもう一つの実施形態の図が示されている。本実施形態に示すように、Ｘ線管１００は真空壁５４の内部に配設された例示的な入射器１０２を含んでいる。さらに、入射器１０２は、入射器１０２の様々な構成要素を封入する入射器壁５３を含んでいる。Ｘ線管５０の場合と同様に、Ｘ線管１００もまたアノード５６を含んでいる。
【００３４】
本発明の手法の各観点によれば、入射器１０２は間接加熱式カソードを含み得る。従って、図４に示す実施形態では、入射器１０２は放出器１１０のような間接加熱式カソードを含んでいる。現在思量される構成では、放出器１１０は曲面型放出器である。さらに、本例では、放出器１１０のような間接加熱式カソードは、少なくとも一つの熱イオン電子源１０４によって加熱され得る。少なくとも一つの熱イオン電子源１０４は、適当な加熱条件に置かれると電子を放出する放出面を含んでいる。本発明の手法の各観点によれば、放出面は、円形、矩形、楕円形若しくは方形の幾何学的構成、又はこれらの組み合わせを含み得る。さらに、放出面は少なくとも一つのコイル・フィラメント、リボン、平坦な面、又はこれらの組み合わせを含み得ることが特記され得る。熱イオン電子源１０４は、少なくとも一つの熱イオン電子源１０４を流れる電子流の流れに応答して電子を発生するように構成され得る。電子流は、ジュール加熱によって熱イオン電子源１０４の温度を上昇させる。また、熱イオン電子源１０４は、融点が高く高温において安定な電子放出が可能な材料から形成され得る。加えて、一実施形態では、熱イオン電子源１０４は仕事関数の低い材料から形成され得る。一実施形態では、熱イオン電子源１０４は、仕事関数の低い材料による被覆を含み得る。さらに具体的には、熱イオン電子源１０４は、限定しないがタングステン、トリウム入りタングステン、タングステン−レニウム、及びモリブデン等のように加熱されると電子を発生することが可能な材料から形成され得る。加えて、一実施形態では、熱イオン電子源１０４は、フィラメント導線（図４には示されていない）を介して熱イオン電子源１０４に電圧を印加することにより加熱され得る。幾つかの実施形態では、第一の電圧源１０６を用いて熱イオン電子源１０４に電圧を印加することができる。熱イオン電子源１０４によって発生される電子を一般に加熱電子ビーム１０８とも呼ぶ。
【００３５】
放出器１１０は加熱電子ビーム１０８によって衝突される電子ビーム１１２を発生する。電子ビーム１１２はターゲット５６へ向けて導かれて、Ｘ線８４を発生することができる。さらに具体的には、電子ビーム１１２は、放出器１１０とターゲット５６との間に電位差を印加することにより放出器１１０からターゲット５６へ向けて加速され得る。さらに、図４の現在思量される構成に示すように、放出器１１０は放出器支持体６０に結合された曲面型放出器であり、次に放出器支持体６０は前述のように入射器壁５３に結合されている。但し、放出器１１０は彎曲している必要はなく、代わりに平坦な放出面を有していてもよい。一実施形態では、放出器１１０は仕事関数の低い材料で製造され得る。代替的には、放出器１１０は、タングステンよりも低い仕事関数を有し加熱されると電子を放出する低仕事関数の材料を含み得る。さらに具体的には、放出器１１０は、限定しないがタングステン、トリウム入りタングステン、及び六ホウ化ランタン等のように融点が高く高温において安定な電子放出が可能な材料から形成され得る。放出器１１０のような間接加熱式カソードの現在思量される構成では、曲面型放出器の設計が達成され得る。また、放出器１１０からの熱が熱イオン電子源１０４に戻って流れると、放出器１１０での熱暴走が生じ得る。熱暴走は、温度制限領域（regime）の代わりに空間電荷制限領域において熱イオン電子源１０４を動作させることにより回避され得る。空間電荷制限領域は、放出器１１０からの電子の放出が、放出器１１０の温度ではなく放出器１１０の表面に形成される電場によって制限されるときに形成される。
【００３６】
図３に関して上で述べたように、集束電極７０及び引出し電極７４を用いて放出器１１０から放出される電子を加速し、電子ビーム１１２をターゲット５６へ向けて導くことができる。さらにまた、集束電極７０及び引出し電極７４の利用は電子ビーム１１２の強度の制御を容易にする。図３に関して上で述べたように、引出し電極７４は、放出器１１０及び集束電極７０に関して正のバイアス電圧に保たれる。これにより、ターゲット５６に衝突する電子ビーム１１２の強度を制御することが容易になる。ターゲット５６に入射する電子ビーム１１２はＸ線８４を発生する。
【００３７】
以上に記載したような例示的なＸ線管の実施形態は、電子ビームのマイクロ秒電流制御のような幾つかの利点を有する。また、この例示的なＸ線管を用いて、低ｋＶ信号を増幅することにより高速ｋＶ切換えを改善することができる。さらに、この例示的なＸ線管は、電子ビームの放出と加速とを切り離すことにより低ｋＶ放出レベルを増大させることができる。加えて、この例示的なＸ線管では、電子ビームの焦点スポット寸法、並びに強度及び配置を保持することができ、ＣＴイメージング・システムの画質が改善される。
【００３８】
発明の幾つかの特徴のみを本書に図示して説明したが、当業者には多くの改変及び変形が想到されよう。従って、特許請求の範囲は、本発明の真意に含まれるような全ての改変及び変形を網羅するものと理解されたい。
【符号の説明】
【００３９】
１０ ＣＴイメージング・システム
１２ ガントリ
１４ Ｘ線源
１６ Ｘ線
１８ 検出器アレイ
２０ 複数の検出器
２２ 患者
２４ 回転中心
２６ 制御機構
２８ Ｘ線制御器
３０ ガントリ・モータ制御器
３２ データ取得システム
３４ 画像再構成器
３６ コンピュータ
３８ 大容量記憶装置
４０ コンソール
４２ 表示器
４４ テーブル・モータ制御器
４６ コンベヤ・システム／テーブル
４８ ガントリ開口
５０ Ｘ線管
５２ 入射器
５３ 入射器壁
５４ 真空壁
５６ アノード／ターゲット
５８ 放出器
６０ 放出器支持体
６４ 電子ビーム
６６ 電圧源
６８ 高電圧フィードスルー
７０ 集束電極
７２ 管外被
７４ 引出し電極
７６ 電場
７８ 高電圧主電場
８０ 磁気アセンブリ
８２ 電子収集器
８４ Ｘ線
８６ Ｘ線窓
９０ バイアス電圧源
９２ 制御電子回路モジュール
１００ Ｘ線管
１０２ 入射器
１０４ 熱イオン電子源
１０６ 電圧源
１０８ 加熱電子ビーム
１１０ 放出器
１１２ 電子ビーム
【技術分野】
【０００１】
本発明の実施形態は一般的には、Ｘ線管に関し、さらに具体的には、マイクロ秒Ｘ線強度切換えのための装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
典型的には、計算機式断層写真法（ＣＴ）イメージング・システムでは、Ｘ線源が患者又は手荷物のような被検体又は物体へ向けてファン（扇形）形状又はコーン（円錐形）形状のＸ線を放出する。以下では、「被検体」及び「対象」「物体」との用語は、撮像されることが可能な任意の物体を含むように用いられ得る。ビームは被検体によって減弱された後に放射線検出器のアレイに入射する。検出器アレイにおいて受光される減弱後のビーム放射線の強度は典型的には、被検体によるＸ線ビームの減弱量に依存している。検出器アレイの各々の検出器素子が、各々の検出器素子によって受光された減弱後のビームを示す別個の電気信号を発生する。電気信号はデータ処理システムへ伝送されて解析される。データ処理システムは、電気信号を処理して画像の形成を容易にする。
【０００３】
一般的には、ＣＴシステムでは、Ｘ線源及び検出器アレイは、撮像平面内で被検体を中心としてガントリの周りで回転する。さらに、Ｘ線源は一般的にはＸ線管を含んでおり、Ｘ線管は焦点においてＸ線ビームを放出する。また、Ｘ線検出器又は検出器アレイは典型的には、検出器において受光されるＸ線ビームをコリメートするコリメータと、コリメータに隣接して配設されてＸ線を光エネルギへ変換するシンチレータと、隣接するシンチレータから光エネルギを受け取ってここから電気信号を発生するフォトダイオードとを含んでいる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】米国特許第６６５２１４３号
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
ＣＴシステムにおいて用いられている現在利用可能なＸ線管は、電子ビーム強度のレベルを所望の時間分解能に合わせて制御することができない。この分野では、フィラメントの加熱を制御する手法、及び血管撮影用Ｘ線源に典型的に用いられているウェーネルト円筒（Wehnelt Cylinder）格子制御を用いる手法のような手法を用いたり、Ｘ線管のターゲットに電子ビーム強度を制御するための電子加速フードを用いたりすることにより幾つかの試みが行なわれている。また、現在利用可能なマイクロ波源は、ピアス電極（Pierce electrode）のような集束電極を含む電子銃を含んで電子ビームを発生している。これらの電子銃は典型的には、制御格子手段の利用を介してビーム電流の大きさを制御する格子を含んでいる。残念ながら、格子ワイヤの熱機械的応力は電子ビームの遮断面積が最小になるときに小さくなるので、電子ビームのエネルギ及びデューティ・サイクルのため遮断用ワイヤ・メッシュ格子の導入が困難になっている。さらに、電子ビーム電流の急速な変化は、Ｘ線ターゲットでの電子ビームの適正な配置及び集束を妨げる。また、電子ビーム強度の０％から１００％までの電子ビーム電流の変調は、空間電荷力の変化が所望の電磁集束及び偏向に変化を齎すため電子ビームの力を変化させる。従って、画質、イメージング・システムの性能、及びＸ線源の耐久性を保存するように電子ビームの焦点及び位置を同じ時間尺度で制御することが望ましい。
【０００６】
また、走査要件に基づいて電子ビーム強度を制御して電子ビームを正確に配置するＸ線管の設計を開発することがさらに望ましい。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
簡潔に述べると、本発明の手法の一観点によれば、Ｘ線管の入射器（injector）が提示される。入射器は、電子ビームを放出する放出器と、放出器の周りに配設されて電子ビームを集束させる少なくとも一つの集束電極と、放出器に関して正のバイアス電圧に保たれて電子ビームの強度を制御する少なくとも一つの引出し電極とを含んでいる。
【０００８】
本発明の手法のもう一つの観点によれば、Ｘ線管が提示される。Ｘ線管は入射器を含んでおり、入射器は、電子ビームを放出する放出器と、放出器の周りに配設されて電子ビームを集束させる少なくとも一つの集束電極と、電子ビームの強度を制御し、放出器に関して正のバイアス電圧に保たれている少なくとも一つの引出し電極とを含んでいる。さらに、Ｘ線管はまた、電子ビームによって衝突されるＸ線を発生するターゲットと、入射器とターゲットとの間に位置して、電子ビームをターゲットへ向けて集束、偏向及び／又は配置するのに指向的に作用する磁気アセンブリとを含んでいる。
【０００９】
本発明の手法のさらにもう一つの観点によれば、計算機式断層写真法システムが提示される。計算機式断層写真法システムは、ガントリと、ガントリに結合されたＸ線管とを含んでいる。Ｘ線管は、管外被と、入射器とを含んでおり、入射器は、電子ビームを放出する放出器と、放出器の周りに配設されて電子ビームを集束させる少なくとも一つの集束電極と、電子ビームの強度を制御し、放出器に関して正のバイアス電圧に保たれている少なくとも一つの引出し電極とを含んでいる。Ｘ線管はまた、電子ビームによって衝突されるＸ線を発生するターゲットと、入射器とターゲットとの間に位置して、電子ビームをターゲットへ向けて集束、偏向及び／又は配置するのに指向的に作用する磁気アセンブリとを含んでいる。さらに、計算機式断層写真法システムは、Ｘ線管に電力及びタイミング信号を供給するＸ線制御器と、撮像対象からの減弱されたＸ線ビームを検出する１又は複数の検出器素子とを含んでいる。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
本発明のこれらの特徴、観点及び利点、並びに他の特徴、観点及び利点は、添付の図面を参照して以下の詳細な説明を読むとさらに十分に理解されよう。図面全体を通して類似の符号は類似の部分を表わす。
【図１】ＣＴイメージング・システムの見取り図である。
【図２】図１に示すＣＴイメージング・システムのブロック概略図である。
【図３】本発明の手法の各観点による例示的なＸ線管の図である。
【図４】本発明の手法の各観点によるもう一つの例示的なＸ線管の図である。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
本発明の各実施形態は、Ｘ線管でのマイクロ秒Ｘ線強度切換えに関する。例示的なＸ線管、及びこの例示的なＸ線管を用いた計算機式断層写真法システムが提示される。
【００１２】
ここで図１及び図２を参照すると、計算機式断層写真法（ＣＴ）イメージング・システム１０が示されている。ＣＴイメージング・システム１０はガントリ１２を含んでいる。ガントリ１２はＸ線源１４を有し、Ｘ線源１４は典型的には、ガントリ１２においてＸ線管の反対側に配置されている検出器アレイ１８へ向けてＸ線ビーム１６を投射するＸ線管である。一実施形態では、ガントリ１２は、Ｘ線ビームを投射する多数のＸ線源を（患者θ軸又は患者Ｚ軸に沿って）有し得る。検出器アレイ１８は複数の検出器２０によって形成されており、検出器２０は一括で、患者２２のような撮像されるべき対象を透過した投射Ｘ線を感知する。Ｘ線投影データを取得するための１回の走査の間に、ガントリ１２及びガントリ１２に装着されている構成部品は回転中心２４の周りを回転する。ＣＴイメージング・システム１０は患者２２に関して説明されているが、ＣＴイメージング・システム１０は医療分野以外にも応用され得ることを認められたい。例えば、ＣＴイメージング・システム１０は、手荷物及び小包等のような密閉物品の内容を確認するために用いられる場合もあるし、爆発物及び／又は生体有害物質のような密輸品の捜索に用いられる場合もある。
【００１３】
ガントリ１２の回転及びＸ線源１４の動作は、ＣＴシステム１０の制御機構２６によって制御される。制御機構２６は、Ｘ線制御器２８とガントリ・モータ制御器３０とを含んでおり、Ｘ線制御器２８はＸ線源１４に電力及びタイミング信号を供給し、ガントリ・モータ制御器３０はガントリ１２の回転速度及び位置を制御する。制御機構２６内に設けられているデータ取得システム（ＤＡＳ）３２が検出器２０からのアナログ・データをサンプリングして、後続の処理のためにこのデータをディジタル信号へ変換する。画像再構成器３４が、サンプリングされてディジタル化されたＸ線データをＤＡＳ３２から受け取って高速再構成を実行する。再構成された画像はコンピュータ３６への入力として印加され、コンピュータ３６は大容量記憶装置３８に画像を記憶させる。
【００１４】
また、コンピュータ３６はまた、キーボードのような入力装置（図１〜図２には示されていない）を有し得る操作者コンソール４０を介して操作者から指令及び走査用パラメータを受け取る。付設されている表示器４２によって、操作者は、再構成された画像及びコンピュータ３６からの他のデータを観測することができる。操作者によって供給された指令及びパラメータはコンピュータ３６によって用いられて、ＤＡＳ３２、Ｘ線制御器２８及びガントリ・モータ制御器３０に制御情報及び信号情報を供給する。加えて、コンピュータ３６は、モータ式テーブル４６を制御するテーブル・モータ制御器４４を動作させて、患者２２及びガントリ１２を配置する。具体的には、テーブル４６は患者２２の各部分をガントリ開口４８を通して移動させる。幾つかの実施形態では、コンピュータ３６は、コンベヤ・システム４６を制御するコンベヤ・システム制御器４４を動作させて、小荷物又は手荷物のような物体及びガントリ１２を配置し得ることが特記され得る。さらに具体的には、コンベヤ・システム４６は物体をガントリ開口４８を通して移動させる。
【００１５】
Ｘ線源１４は典型的には、少なくともカソード及びアノードを含むＸ線管である。カソードは、直熱式カソードであっても間接加熱式カソードであってもよい。現在、Ｘ線管は、電子ビームを発生してアノードに衝突させてＸ線を発生する電子源を含んでいる。これらの電子源は、フィラメントの電流を変化させ、従ってフィラメントの放出温度を変化させることによりビーム電流の大きさを制御する。残念ながら、これらのＸ線管は走査要件に基づいてビュー単位で電子ビーム強度を制御することができず、これによりシステムの撮像選択肢を限定している。従って、例示的なＸ線管が提示され、このＸ線管は、公称動作時のマイクロ秒電流制御、多数のＸ線源のゲート制御又は利用制御のためのオン／オフ格子制御、Ｘ線画像の改善のための０％〜１００％変調、及び所望の強度のＸ線を発生して画質を高めるための線量制御又は高速電圧切換えを提供する。
【００１６】
図３は、本発明の手法の各観点による例示的なＸ線管５０の図である。一実施形態では、Ｘ線管５０はＸ線源１４であり得る（図１〜図２参照）。図示の実施形態では、Ｘ線管５０は真空壁５４の内部に配設された例示的な入射器５２を含んでいる。さらに、入射器５２は、当該入射器５２の様々な構成要素を封入する入射器壁５３を含んでいる。加えて、Ｘ線管５０はまた、アノード５６を含んでいる。アノード５６は典型的には、Ｘ線ターゲットである。入射器５２及びアノード５６は、管外被７２の内部に配設されている。本発明の手法の各観点によれば、入射器５２は少なくとも一つのカソードを放出器５８の形態で含み得る。本例では、カソード、具体的には放出器５８は、直熱式であり得る。さらに、放出器は放出器支持体６０に結合され、次に放出器支持体６０は入射器壁５３に結合され得る。放出器５８は、当該放出器５８に大電流を流すことにより加熱され得る。電圧源６６がこの電流を放出器５８に供給することができる。一実施形態では、約１０アンペア（Ａ）の電流を放出器５８に流すことができる。放出器５８は、電圧源６６によって供給される電流によって加熱される結果として電子ビーム６４を放出することができる。本書で用いられる「電子ビーム」との用語は、実質的に類似した速度を有する複数の電子から成る流れを指すのに用いられ得る。
【００１７】
電子ビーム６４はターゲット５６へ向けて導かれてＸ線８４を発生することができる。さらに具体的には、電子ビーム６４は、放出器５８とターゲット５６との間に電位差を印加することにより放出器５８からターゲット５６へ向けて加速され得る。一実施形態では、約４０ｋＶ〜約４５０ｋＶの範囲の高電圧が高電圧フィードスルー６８の利用を介して印加されて、放出器５８とターゲット５６との間に電位差を設定し、これにより高電圧主電場７８を発生することができる。一実施形態では、約１４０ｋＶの高電圧差が放出器５８とターゲット５６との間に印加されて、ターゲット５６へ向かう電子ビーム６４の電子を加速することができる。現在思量される構成では、ターゲット５６は接地電位にあり得ることが特記され得る。例として述べると、放出器５８は約−１４０ｋＶの電位にあり、ターゲット５６は接地電位又は約０ボルトにあり得る。
【００１８】
代替的な実施形態では、放出器５８が接地電位に保たれて、ターゲット５６が放出器５８に関して正の電位に保たれ得る。例として述べると、ターゲットは約１４０ｋＶの電位にあり、放出器５８は接地電位又は約０ボルトにあり得る。
【００１９】
また、電子ビーム６４がターゲット５６に入射すると、ターゲット５６に多量の熱が発生される。残念ながら、ターゲット５６において発生される熱は、ターゲット５６を溶融させるのに十分なほど著しい場合がある。本発明の手法の各観点によれば、回転ターゲットを用いてターゲット５６での熱発生の問題を回避することができる。さらに具体的には、一実施形態では、ターゲット５６は回転するように構成されることができ、すると電子ビーム６４はターゲット５６において同じ位置には衝突しないのでターゲット５６に衝突する電子ビーム６４がターゲット５６を溶融させることがなくなる。もう一つの実施形態では、ターゲット５６は静止ターゲットを含み得る。さらにまた、ターゲット５６は、電子ビーム６４の衝突によって発生される熱に耐えることが可能な材料で製造され得る。例えば、ターゲット５６は、限定しないがタングステン、モリブデン、又は銅のような材料を含み得る。
【００２０】
現在思量される構成では、放出器５８は平面型放出器である。代替的な構成では、放出器５８は曲面型放出器であってよい。曲面型放出器は、典型的には曲率が凹であって、電子ビームの前集束を提供する。本書で用いられる「曲面型放出器」との用語は、彎曲した放出面を有する放出器を指すのに用いられ得る。さらに、「平面型放出器」との用語は、平坦な放出面を有する放出器を指すのに用いられ得る。本発明の手法の各観点によれば、成形された放出器を用いることもできる。例えば、一実施形態では、方形放出器又は矩形放出器のような様々な多角形形状の放出器を用いることができる。但し、限定しないが楕円形又は円形の放出器のような他の形状の放出器を用いることもできる。応用要件に基づいて、様々な形状又は寸法の放出器を用いてよいことが特記され得る。
【００２１】
本発明の手法の各観点によれば、放出器５８は仕事関数の低い材料から形成され得る。さらに具体的には、放出器５８は、融点が高く高温において安定な電子放出が可能な材料から形成され得る。仕事関数の低い材料としては、限定しないがタングステン、トリウム入りタングステン、及び六ホウ化ランタン等が挙げられる。
【００２２】
引き続き図３を参照して述べると、入射器５２は、少なくとも一つの集束電極７０を含み得る。一実施形態では、少なくとも一つの集束電極７０は、当該集束電極７０が電子ビーム６４をターゲット５６へ向けて集束させるように放出器５８に隣接して配設され得る。本書で用いられる「隣接」との用語は、空間又は位置において近傍であることを意味する。さらに、一実施形態では、集束電極７０は放出器５８の電圧電位よりも低い電圧電位に保たれ得る。放出器５８と集束電極７０との間の電位差は、放出器５８から発生される電子が集束電極７０へ向けて移動するのを防ぐ。一実施形態では、集束電極７０は放出器５８に関して負の電位に保たれ得る。放出器５８に関して集束電極７０が負電位にあることにより、電子ビーム６４は集束電極７０から離隔して集束し、これによりターゲット５６へ向けた電子ビーム６４の集束が容易になる。
【００２３】
もう一つの実施形態では、集束電極７０は、放出器５８の電圧電位に等しい又は実質的に類似した電圧電位に保たれ得る。放出器５８の電圧電位に関して集束電極７０の電圧電位を類似したものにすると、集束電極７０の形状によって静電場を成形することにより平行な電子ビームが生成される。集束電極７０は、放出器５８及び集束電極７０を結合する導線（図３には示されていない）の利用を介して放出器５８の電圧電位に等しい又は実質的に類似した電圧電位に保たれ得る。
【００２４】
また、本発明の手法の各観点によれば、入射器５２は、電子ビーム６４をターゲット５６へ向けて付加的に制御して集束させる少なくとも一つの引出し電極７４を含んでいる。一実施形態では、少なくとも一つの引出し電極７４は、ターゲット５６と放出器５８との間に位置する。さらに、幾つかの実施形態では、引出し電極７４は、当該引出し電極７４に所望の電圧を供給する電圧タブ（図３には示されていない）の利用を介して正のバイアスを印加され得る。本発明の手法の各観点によれば、バイアス電圧電源９０が引出し電極７４に電位を供給することができ、引出し電極７４が放出器５８に関して正のバイアス電圧に保たれるようにしている。一実施形態では、引出し電極７４を様々な電圧電位を有する複数の領域に分割して、放出器５８の様々な領域からの集束又はバイアス付き放出を実行することができる。
【００２５】
Ｘ線管において、Ｘ線ビームのエネルギは、多数の方法の１又は複数を介して制御され得ることが特記され得る。例えば、Ｘ線ビームのエネルギは、カソードとアノードとの間の電位差（すなわち加速電圧）を変化させること、Ｘ線ターゲットの材料を変更すること、又は電子ビームをフィルタリングすることにより制御され得る。このことを一般に「ｋＶ制御」と呼ぶ。本書で用いられる「電子ビーム電流」との用語は、カソードとアノードとの間の秒当たりの電子流の流れを指す。さらに、Ｘ線ビームの強度は、電子ビーム電流の制御を介して制御可能である。強度を制御するかかる手法を一般に「ｍＡ制御」と呼ぶ。本書で議論されるように、本発明の手法の各観点は、引出し電極７４の利用を介した電子ビーム電流の制御を提供する。かかる引出し電極７４の利用は、加速電圧から電子放出の制御を切り離すことを可能にすることが特記され得る。
【００２６】
さらに、引出し電極７４はマイクロ秒電流制御のために構成される。明確に述べると、電子ビーム電流は、引出し電極７４に印加される電圧をマイクロ秒のオーダーで変化させることにより、マイクロ秒のオーダーで制御され得る。放出器５８は無限の電子発生源として扱われ得ることが特記され得る。本発明の手法の各観点によれば、電子ビーム電流は、典型的には放出器５８からターゲット５６へ向かう電子の流れであって、引出し電極７４の電圧電位を変化させることにより制御され得る。電子ビーム電流の制御について以下でさらに詳細に説明する。
【００２７】
引き続き図３を参照して述べると、引出し電極７４はまた、集束電極７０に関して正の電圧にバイアスを印加され得る。例として、放出器５８の電圧電位が約−１４０ｋＶである場合に、集束電極７０の電圧電位は約−１４０ｋＶ以下に保たれてよく、引出し電極７４の電圧電位は放出器５８に関して引出し電極７４に正のバイアスを印加するために約−１３５ｋＶに保たれ得る。本発明の手法の各観点によれば、集束電極７０と引出し電極７４との間の電位差によって引出し電極７４と集束電極７０との間に電場７６が発生される。このように発生される電場７６の強度を用いて、放出器５８によってターゲット５６へ向けて発生される電子ビーム６４の強度を制御することができる。このようにして、ターゲット５６に衝突する電子ビーム６４の強度は電場７６によって制御され得る。さらに具体的には、電場７６は、放出器５８から放出された電子をターゲット５６へ向けて加速する。電場７６が強いほど放出器５８からターゲット５６へ向かう電子の加速は大きくなる。代替的には、電場７６が弱いほど放出器５８からターゲット５６へ向かう電子の加速は小さくなる。
【００２８】
加えて、引出し電極７４に加わるバイアス電圧を変化させると、電子ビーム６４の強度を変更することができる。前述のように、引出し電極に加わるバイアス電圧を、バイアス電圧電源９０に存在する電圧タブの利用を介して変化させることができる。引出し電極７４に、放出器５８に関して相対的に正となるようにバイアスを印加すると、電子ビーム６４の強度が高まる。代替的には、引出し電極７４に、放出器５８に関して相対的に正とならないようにバイアスを印加すると、電子ビーム６４の強度が小さくなる。一実施形態では、電子ビーム６４は、引出し電極７４に、放出器５８に関して負となるようにバイアスを印加することにより完全に遮断され得る。前述のように、引出し電極７４に加わるバイアス電圧は、バイアス電圧電源９０の利用を介して供給され得る。従って、電子ビーム６４の強度は、バイアス電圧電源９０に存在する電圧タブの利用を介して引出し電極７４に加わるバイアス電圧を変化させることにより、可能な強度の０％から１００％まで制御され得る。
【００２９】
さらに、８ｋＶ以下の電圧シフトを引出し電極７４に印加して電子ビーム６４の強度を制御することができる。幾つかの実施形態では、これらの電圧シフトは、制御電子回路モジュール９２の利用を介して引出し電極７４に印加され得る。制御電子回路モジュール９２は、引出し電極７４に印加される電圧を１マイクロ秒〜１５マイクロ秒の間隔乃至少なくとも約１５０ミリ秒の間隔で変化させる。一実施形態では、制御電子回路モジュール９２は、引出し電極７４に印加される電圧を変化させるＳｉ切換え技術サーキットリを含み得る。幾つかの実施形態では、電圧シフトの範囲が８ｋＶを超える場合には炭化ケイ素（ＳｉＣ）切換え技術を応用することができる。従って、引出し電極７４に印加される電圧の変化は、例えば１マイクロ秒〜１５マイクロ秒の間隔での電子ビーム６４の強度の変化を容易にする。電子ビームの強度をマイクロ秒のオーダーで制御するこの手法をマイクロ秒強度切換えと呼ぶことができる。
【００３０】
加えて、例示的なＸ線管５０はまた、ターゲット５６において電子ビーム６４を集束させ且つ／又は配置して偏向させる磁気アセンブリ８０を含み得る。一実施形態では、磁気アセンブリ８０は入射器５２とターゲット５６との間に配設され得る。一実施形態では、磁気アセンブリ８０は、Ｘ線ターゲット５６において電子ビーム６４を成形する磁場を形成することにより電子ビーム６４の集束に作用する１又は複数の多極電磁石を含み得る。１又は複数の多極電磁石としては、１若しくは複数の四重極磁石、１若しくは複数の二極磁石、又はこれらの組み合わせを等が挙げられる。電子ビーム電流及び電圧の特性が急速に変化するのに伴って、入射器における空間電荷及び静電集束の効果が呼応して変化する。安定な焦点スポット寸法を保つため、又はシステム要件に従って焦点スポット寸法を高速に変更するために、磁気アセンブリ８０は、広範な焦点スポット寸法に対して定常状態から３０ミリ秒未満までの時間尺度で制御可能な性能を有する磁場を提供する。このことは、ＣＴシステム性能の要件を達成すると共に、Ｘ線源系統の保護を提供する。加えて、磁気アセンブリ８０は、Ｘ線ターゲット５６の所望の位置への電子ビーム６４の偏向及び配置のための１又は複数の二極磁石を含み得る。集束されて配置された電子ビーム６４は、ターゲット５６に入射してＸ線８４を発生する。電子ビーム６４のターゲット５６との衝突によって発生されるＸ線８４は、Ｘ線管５０から、一般にＸ線窓８６とも呼ばれる管外被７２の開口を通って、対象（図３には示されていない）へ向けて導かれ得る。
【００３１】
引き続き図３を参照して述べると、電子ビーム６４の電子は、ターゲット５６に衝突した後に後方散乱される場合がある。従って、例示的なＸ線管５０は、ターゲット５６から後方散乱された電子を収集する電子収集器８２を含み得る。本発明の手法の各観点によれば、電子収集器８２は接地電位に保たれ得る。代替的な実施形態では、電子収集器８２は、ターゲット５６の電位と実質的に類似した電位に保たれ得る。さらに、一実施形態では、電子収集器８２がターゲット５６に隣接して位置して、ターゲット５６から後方散乱された電子を収集し得る。もう一つの実施形態では、電子収集器８２は、引出し電極７４とターゲット５６との間でターゲット５６に近接して位置し得る。加えて、電子収集器８２は、限定しないが例えばモリブデンのような耐熱材料から形成され得る。さらに、一実施形態では、電子収集器８２は銅から形成され得る。もう一つの実施形態では、電子収集器８２は耐熱金属と銅との組み合わせから形成され得る。
【００３２】
さらに、例示的なＸ線管５０はまた、電子ビーム６４の電子のターゲット５６との衝突によって発生され得る陽イオンを吸引する陽イオン収集器（図３には示されていない）を含み得ることが特記され得る。陽イオン収集器は一般的には、電子ビームの経路に沿って配置されて陽イオンがＸ線管５０の様々な構成要素に衝突するのを防ぎ、これによりＸ線管５０の構成要素に対する損傷を防ぐ。
【００３３】
ここで図４を参照すると、例示的なＸ線管１００のもう一つの実施形態の図が示されている。本実施形態に示すように、Ｘ線管１００は真空壁５４の内部に配設された例示的な入射器１０２を含んでいる。さらに、入射器１０２は、入射器１０２の様々な構成要素を封入する入射器壁５３を含んでいる。Ｘ線管５０の場合と同様に、Ｘ線管１００もまたアノード５６を含んでいる。
【００３４】
本発明の手法の各観点によれば、入射器１０２は間接加熱式カソードを含み得る。従って、図４に示す実施形態では、入射器１０２は放出器１１０のような間接加熱式カソードを含んでいる。現在思量される構成では、放出器１１０は曲面型放出器である。さらに、本例では、放出器１１０のような間接加熱式カソードは、少なくとも一つの熱イオン電子源１０４によって加熱され得る。少なくとも一つの熱イオン電子源１０４は、適当な加熱条件に置かれると電子を放出する放出面を含んでいる。本発明の手法の各観点によれば、放出面は、円形、矩形、楕円形若しくは方形の幾何学的構成、又はこれらの組み合わせを含み得る。さらに、放出面は少なくとも一つのコイル・フィラメント、リボン、平坦な面、又はこれらの組み合わせを含み得ることが特記され得る。熱イオン電子源１０４は、少なくとも一つの熱イオン電子源１０４を流れる電子流の流れに応答して電子を発生するように構成され得る。電子流は、ジュール加熱によって熱イオン電子源１０４の温度を上昇させる。また、熱イオン電子源１０４は、融点が高く高温において安定な電子放出が可能な材料から形成され得る。加えて、一実施形態では、熱イオン電子源１０４は仕事関数の低い材料から形成され得る。一実施形態では、熱イオン電子源１０４は、仕事関数の低い材料による被覆を含み得る。さらに具体的には、熱イオン電子源１０４は、限定しないがタングステン、トリウム入りタングステン、タングステン−レニウム、及びモリブデン等のように加熱されると電子を発生することが可能な材料から形成され得る。加えて、一実施形態では、熱イオン電子源１０４は、フィラメント導線（図４には示されていない）を介して熱イオン電子源１０４に電圧を印加することにより加熱され得る。幾つかの実施形態では、第一の電圧源１０６を用いて熱イオン電子源１０４に電圧を印加することができる。熱イオン電子源１０４によって発生される電子を一般に加熱電子ビーム１０８とも呼ぶ。
【００３５】
放出器１１０は加熱電子ビーム１０８によって衝突される電子ビーム１１２を発生する。電子ビーム１１２はターゲット５６へ向けて導かれて、Ｘ線８４を発生することができる。さらに具体的には、電子ビーム１１２は、放出器１１０とターゲット５６との間に電位差を印加することにより放出器１１０からターゲット５６へ向けて加速され得る。さらに、図４の現在思量される構成に示すように、放出器１１０は放出器支持体６０に結合された曲面型放出器であり、次に放出器支持体６０は前述のように入射器壁５３に結合されている。但し、放出器１１０は彎曲している必要はなく、代わりに平坦な放出面を有していてもよい。一実施形態では、放出器１１０は仕事関数の低い材料で製造され得る。代替的には、放出器１１０は、タングステンよりも低い仕事関数を有し加熱されると電子を放出する低仕事関数の材料を含み得る。さらに具体的には、放出器１１０は、限定しないがタングステン、トリウム入りタングステン、及び六ホウ化ランタン等のように融点が高く高温において安定な電子放出が可能な材料から形成され得る。放出器１１０のような間接加熱式カソードの現在思量される構成では、曲面型放出器の設計が達成され得る。また、放出器１１０からの熱が熱イオン電子源１０４に戻って流れると、放出器１１０での熱暴走が生じ得る。熱暴走は、温度制限領域（regime）の代わりに空間電荷制限領域において熱イオン電子源１０４を動作させることにより回避され得る。空間電荷制限領域は、放出器１１０からの電子の放出が、放出器１１０の温度ではなく放出器１１０の表面に形成される電場によって制限されるときに形成される。
【００３６】
図３に関して上で述べたように、集束電極７０及び引出し電極７４を用いて放出器１１０から放出される電子を加速し、電子ビーム１１２をターゲット５６へ向けて導くことができる。さらにまた、集束電極７０及び引出し電極７４の利用は電子ビーム１１２の強度の制御を容易にする。図３に関して上で述べたように、引出し電極７４は、放出器１１０及び集束電極７０に関して正のバイアス電圧に保たれる。これにより、ターゲット５６に衝突する電子ビーム１１２の強度を制御することが容易になる。ターゲット５６に入射する電子ビーム１１２はＸ線８４を発生する。
【００３７】
以上に記載したような例示的なＸ線管の実施形態は、電子ビームのマイクロ秒電流制御のような幾つかの利点を有する。また、この例示的なＸ線管を用いて、低ｋＶ信号を増幅することにより高速ｋＶ切換えを改善することができる。さらに、この例示的なＸ線管は、電子ビームの放出と加速とを切り離すことにより低ｋＶ放出レベルを増大させることができる。加えて、この例示的なＸ線管では、電子ビームの焦点スポット寸法、並びに強度及び配置を保持することができ、ＣＴイメージング・システムの画質が改善される。
【００３８】
発明の幾つかの特徴のみを本書に図示して説明したが、当業者には多くの改変及び変形が想到されよう。従って、特許請求の範囲は、本発明の真意に含まれるような全ての改変及び変形を網羅するものと理解されたい。
【符号の説明】
【００３９】
１０ ＣＴイメージング・システム
１２ ガントリ
１４ Ｘ線源
１６ Ｘ線
１８ 検出器アレイ
２０ 複数の検出器
２２ 患者
２４ 回転中心
２６ 制御機構
２８ Ｘ線制御器
３０ ガントリ・モータ制御器
３２ データ取得システム
３４ 画像再構成器
３６ コンピュータ
３８ 大容量記憶装置
４０ コンソール
４２ 表示器
４４ テーブル・モータ制御器
４６ コンベヤ・システム／テーブル
４８ ガントリ開口
５０ Ｘ線管
５２ 入射器
５３ 入射器壁
５４ 真空壁
５６ アノード／ターゲット
５８ 放出器
６０ 放出器支持体
６４ 電子ビーム
６６ 電圧源
６８ 高電圧フィードスルー
７０ 集束電極
７２ 管外被
７４ 引出し電極
７６ 電場
７８ 高電圧主電場
８０ 磁気アセンブリ
８２ 電子収集器
８４ Ｘ線
８６ Ｘ線窓
９０ バイアス電圧源
９２ 制御電子回路モジュール
１００ Ｘ線管
１０２ 入射器
１０４ 熱イオン電子源
１０６ 電圧源
１０８ 加熱電子ビーム
１１０ 放出器
１１２ 電子ビーム
【特許請求の範囲】
【請求項１】
電子ビーム（６４）を放出する放出器（５８）と、
該放出器（５８）の周りに配設されて前記電子ビーム（６４）を集束させる少なくとも一つの集束電極（７０）と、
前記放出器（５８）に関して正のバイアス電圧に保たれて前記電子ビーム（６４）の強度を制御する少なくとも一つの引出し電極（７４）と
を備えたＸ線管（５０）用の入射器（５２）。
【請求項２】
前記電子ビーム（６４）を発生するように、前記放出器（５８）に衝突する加熱電子ビーム（１０８）を発生する少なくとも一つの熱イオン電子源（１０４）をさらに含んでいる請求項１に記載の入射器（５２）。
【請求項３】
前記少なくとも一つの熱イオン電子源（１０４）は放出面を含んでいる、請求項２に記載の入射器（５２）。
【請求項４】
前記放出器（５８）は、タングステンよりも低い仕事関数を有する低仕事関数材料を含んでいる、請求項１に記載の入射器（５２）。
【請求項５】
前記放出器（５８）は、曲面型放出器、平面型放出器、又はこれらの組み合わせである、請求項１に記載の入射器（５２）。
【請求項６】
前記集束電極（７０）は、前記引出し電極（７４）に関して負の電圧にあるバイアスを印加される、請求項１に記載の入射器（５２）。
【請求項７】
入射器（５２）であって、
電子ビーム（６４）を発生する放出器（５８）と、
前記電子ビーム（６４）を集束させる少なくとも一つの集束電極（７０）と、
前記電子ビーム（６４）の強度を制御し、前記放出器（５８）に関して正のバイアス電圧に保たれている少なくとも一つの引出し電極（７４）と
を含んでいる入射器（５２）と、
前記電子ビーム（６４）により衝突されるとＸ線（８４）を発生するターゲット（５６）と、
前記入射器（５２）と前記ターゲット（５６）との間に位置して、前記電子ビーム（６４）を前記ターゲット（５６）へ向けて集束、偏向及び／又は配置するのに指向的に作用する磁気アセンブリ（８０）と
を備えたＸ線管（５０）。
【請求項８】
前記電子ビーム（６４）を発生するように、前記放出器（５８）に衝突する加熱電子ビーム（１０８）を発生する少なくとも一つの熱イオン電子源（１０４）をさらに含んでいる請求項７に記載のＸ線管（５０）。
【請求項９】
前記ターゲット（５６）から後方散乱された電子を収集する電子収集器（８２）をさらに含んでいる請求項７に記載のＸ線管（５０）。
【請求項１０】
ガントリ（１２）と、
該ガントリ（１２）に結合されたＸ線管（５０）であって、
管外被（７２）と、
入射器（５２）であって、
電子ビーム（６４）を発生する放出器（５８）と
前記電子ビーム（６４）を集束させる少なくとも一つの集束電極（７０）と、
前記電子ビーム（６４）の強度を制御し、前記放出器（５８）に関して正のバイアス電圧に保たれている少なくとも一つの引出し電極（７４）と、
を含んでいる入射器（５２）と、
前記電子ビーム（６４）により衝突されるとＸ線（８４）を発生するターゲット（５６）と、
前記入射器（５２）と前記ターゲット（５６）との間に位置して、前記電子ビーム（６４）を前記ターゲット（５６）へ向けて集束、偏向及び／又は配置するのに指向的に作用する磁気アセンブリ（８０）と
を含んでいるＸ線管（５０）と、
該Ｘ線管（５０）に電力及びタイミング信号を供給するＸ線制御器（２８）と、
撮像対象（２２）からの減弱されたＸ線ビームを検出する１又は複数の検出器素子（２０）と
を備えた計算機式断層写真法システム（１０）。
【請求項１】
電子ビーム（６４）を放出する放出器（５８）と、
該放出器（５８）の周りに配設されて前記電子ビーム（６４）を集束させる少なくとも一つの集束電極（７０）と、
前記放出器（５８）に関して正のバイアス電圧に保たれて前記電子ビーム（６４）の強度を制御する少なくとも一つの引出し電極（７４）と
を備えたＸ線管（５０）用の入射器（５２）。
【請求項２】
前記電子ビーム（６４）を発生するように、前記放出器（５８）に衝突する加熱電子ビーム（１０８）を発生する少なくとも一つの熱イオン電子源（１０４）をさらに含んでいる請求項１に記載の入射器（５２）。
【請求項３】
前記少なくとも一つの熱イオン電子源（１０４）は放出面を含んでいる、請求項２に記載の入射器（５２）。
【請求項４】
前記放出器（５８）は、タングステンよりも低い仕事関数を有する低仕事関数材料を含んでいる、請求項１に記載の入射器（５２）。
【請求項５】
前記放出器（５８）は、曲面型放出器、平面型放出器、又はこれらの組み合わせである、請求項１に記載の入射器（５２）。
【請求項６】
前記集束電極（７０）は、前記引出し電極（７４）に関して負の電圧にあるバイアスを印加される、請求項１に記載の入射器（５２）。
【請求項７】
入射器（５２）であって、
電子ビーム（６４）を発生する放出器（５８）と、
前記電子ビーム（６４）を集束させる少なくとも一つの集束電極（７０）と、
前記電子ビーム（６４）の強度を制御し、前記放出器（５８）に関して正のバイアス電圧に保たれている少なくとも一つの引出し電極（７４）と
を含んでいる入射器（５２）と、
前記電子ビーム（６４）により衝突されるとＸ線（８４）を発生するターゲット（５６）と、
前記入射器（５２）と前記ターゲット（５６）との間に位置して、前記電子ビーム（６４）を前記ターゲット（５６）へ向けて集束、偏向及び／又は配置するのに指向的に作用する磁気アセンブリ（８０）と
を備えたＸ線管（５０）。
【請求項８】
前記電子ビーム（６４）を発生するように、前記放出器（５８）に衝突する加熱電子ビーム（１０８）を発生する少なくとも一つの熱イオン電子源（１０４）をさらに含んでいる請求項７に記載のＸ線管（５０）。
【請求項９】
前記ターゲット（５６）から後方散乱された電子を収集する電子収集器（８２）をさらに含んでいる請求項７に記載のＸ線管（５０）。
【請求項１０】
ガントリ（１２）と、
該ガントリ（１２）に結合されたＸ線管（５０）であって、
管外被（７２）と、
入射器（５２）であって、
電子ビーム（６４）を発生する放出器（５８）と
前記電子ビーム（６４）を集束させる少なくとも一つの集束電極（７０）と、
前記電子ビーム（６４）の強度を制御し、前記放出器（５８）に関して正のバイアス電圧に保たれている少なくとも一つの引出し電極（７４）と、
を含んでいる入射器（５２）と、
前記電子ビーム（６４）により衝突されるとＸ線（８４）を発生するターゲット（５６）と、
前記入射器（５２）と前記ターゲット（５６）との間に位置して、前記電子ビーム（６４）を前記ターゲット（５６）へ向けて集束、偏向及び／又は配置するのに指向的に作用する磁気アセンブリ（８０）と
を含んでいるＸ線管（５０）と、
該Ｘ線管（５０）に電力及びタイミング信号を供給するＸ線制御器（２８）と、
撮像対象（２２）からの減弱されたＸ線ビームを検出する１又は複数の検出器素子（２０）と
を備えた計算機式断層写真法システム（１０）。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図２】
【図３】
【図４】
【公開番号】特開２０１１−１２９５１８（Ｐ２０１１−１２９５１８Ａ）
【公開日】平成２３年６月３０日（２０１１．６．３０）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１０−２７５１９１（Ｐ２０１０−２７５１９１）
【出願日】平成２２年１２月１０日（２０１０．１２．１０）
【出願人】（３９００４１５４２）ゼネラル・エレクトリック・カンパニイ (6,332)
【氏名又は名称原語表記】ＧＥＮＥＲＡＬ ＥＬＥＣＴＲＩＣ ＣＯＭＰＡＮＹ
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２３年６月３０日（２０１１．６．３０）
【国際特許分類】
【出願日】平成２２年１２月１０日（２０１０．１２．１０）
【出願人】（３９００４１５４２）ゼネラル・エレクトリック・カンパニイ (6,332)
【氏名又は名称原語表記】ＧＥＮＥＲＡＬ ＥＬＥＣＴＲＩＣ ＣＯＭＰＡＮＹ
【Ｆターム（参考）】
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